P92钢在蠕变-疲劳交互作用下的初始循环特性

肖永健，王 勇，井新经

(1.华电内蒙能源有限公司土默特发电分公司, 包头 014100；2.西安热工研究院有限公司，西安 710054)

0 引 言

为了解决日益突出的能源短缺和环境污染问题，提高火电厂的发电效率迫在眉睫，主要途径是提高蒸汽的工作压力和温度。我国已建设并运行着很多超超临界火电机组[1]，超超临界机组的蒸汽温度在600 ℃以上，压力大于26 MPa，机组关键部件在此高温高压环境下工作时，将会受到蠕变损伤和疲劳损伤[2-3];这对所用材料的性能提出了很高的要求[4]。P92钢因具有热膨胀率低、抗蠕变能力强等特点而广泛应用于超超临界机组的高温部件中[5-9]。为了保证机组的安全运行，研究P92钢在高温高压下的蠕变和疲劳特性，特别是蠕变疲劳载荷作用下黏性应力降低所引起的应力松弛行为至关重要。 P92钢的应力松弛主要发生在初始循环阶段[2]，研究P92钢的初始循环特性对于掌握P92钢的蠕变疲劳特性具有重要的意义[10-2]。目前，有关初始循环加载对P92钢蠕变性能影响的研究主要通过本构方程描述其循环行为来进行[13-19]，结论可归纳为两方面：随着循环加载的进行，退化逐渐趋于饱和，初始循环对总体寿命有很大影响；Ramberg-Ostgood和Johnson-Cook等模型可以较好地描述P92钢的力学行为，但对于不同加载方式，需要通过试验数据建立修正的模型才能准确描述P92钢的循环特性。但是，已有文献并没有研究对寿命有极大影响的初始循环，且未设置足够长的保载时间将材料在蠕变疲劳作用下的应力松弛演化规律完整表征。因此，作者在不同温度和应变速率下对P92钢进行了多组初始循环的蠕变疲劳试验，研究了P92钢在蠕变-疲劳交互作用下的初始循环特性，并建立相应的本构方程对其循环过程进行描述，以期为P92钢的实际工程应用提供参考。

1 试样制备与试验方法

试验材料为Wyman-Gorden公司生产的内径914 mm、壁厚50 mm的高温再热蒸汽管道用ASME SA-1017M P92钢管，其热处理工艺为1 065 ℃×1.25 h正火后风冷+776 ℃×2.5 h回火后空冷，化学成分和拉伸性能分别列于表1和表2中。

表1 P92钢的化学成分

图1 蠕变疲劳试样的尺寸Fig.1 Dimension of creep-fatigue sample

表2 P92钢的准静态拉伸性能

在试验材料上截取如图1所示的圆柱形蠕变疲劳试样，根据GB/T 26077、ASTME606和ISO12106的要求，在MTS370.10型液压伺服驱动疲劳试验系统上对P92钢进行不同温度下的单周应变控制蠕变疲劳试验，具体试验参数如表3所示，即应变以一定的应变速率加载至0.5%后保载1 h，再以相同的应变速率卸载。在试验过程中，轴向应变由一个夹式动态高温引伸计测量，应力由测压元件监测的载荷响应得到。

表3 应变控制下P92钢的蠕变疲劳试验参数

2 试验结果与讨论

2.1 循环应力-应变曲线

在500 ℃，1×10-3s-1以及600 ℃，1×10-4s-1条件下试样在加载2 s后即发生断裂，这与加载速率和加载温度失配有关，温度越高，材料所能承受的加载速率越小，因此不对这2种条件下的试验结果进行分析。在675 ℃，1×10-5s-1条件下，试样在卸载5 min后发生了断裂。由图2可以看出：不同试验温度和应变速率下试样的真应力-真应变滞回曲线基本相同，在保载期内均出现应力松弛现象；在真应变一定的条件下，真应力随试验温度的升高而减小，随应变速率的减小而减小，说明试验温度和应变速率对循环应力-应变曲线的影响较大。温度越高，蠕变疲劳循环的非弹性应变占比越大，而非弹性应变范围越大，表明不可恢复的应变越大，其蠕变疲劳寿命也越短。加载速率越快，达到最大应变所用的载荷越大，在足够的保载时间内，应力松弛发生得越充分，造成损伤越大，蠕变疲劳寿命越短[20]。

图2 不同试验温度和应变速率下P92钢的循环应力-应变曲线Fig.2 Cyclic stress-strain curves of P92 steel at different testtemperatures and strain rates

2.2 保载阶段的应力松弛

由图3可以看出：当试验温度为500,550,600,650 ℃时，保载阶段的应力下降率相差较小；当试验温度为675 ℃时，保载阶段的真应力-保载时间曲线波动较大，且随着应变速率的增加，保载阶段的应力下降率增大，说明高温和较快加载速率的共同作用促进了损伤的产生，从而出现软化现象。可知，当温度升高到一定值时，温度和应变速率对P92钢在应变控制下蠕变疲劳试验保载阶段的应力下降率有很大的影响。在675 ℃，1×10-5s-1条件下的应力松弛值明显大于其他试验条件下的应力松弛值，温度越高，蠕变-疲劳交互作用中蠕变所占比例越大，蠕变损伤越大，在保载阶段的应力松弛现象更明显；675 ℃，5×10-6s-1条件下的应力松弛值与500 ℃，1×10-4s-1条件下的应力松弛值基本相同且均远小于675 ℃，1×10-5s-1条件下的应力松弛值，说明在相同的温度下，较大的应变速率会加速材料损伤。

图3 不同试验温度和应变速率下P92钢在保载阶段的真应力和应力松弛值随保载时间的变化曲线Fig.3 Curves of true stress (a) and stress relaxation value (b) vs holding time of P92 steel during load retention stage atdifferent test temperatures and strain rates

2.3 加载与卸载阶段的应力-应变曲线

由图4可以看出，试验温度越高，在加载和卸载阶段的应力变化率越小。当应变速率相同时，500，550 ℃时的真应力-真应变曲线基本重合，而600，650，675 ℃时的真应力-真应变曲线差异较大。试验温度越高，P92钢在蠕变疲劳试验时达到相同应变的最大应力越小。当试验温度不高于550 ℃时，在相同应变速率下，温度对应力变化率的影响可以忽略。但当试验温度高于550 ℃时，温度对应力变化率的影响较大。当试验温度为675 ℃时，5×10-6s-1条件下的应力变化率和1×10-5s-1下的应力变化率相差较小，说明应变速率对应力变化率的影响很小。

图4 不同试验温度和应变速率下P92钢在加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线Fig.4 True stress-strain curves of P92 steel during loading (a) and unloading stage (b) at different test temperatures and strain rates

由图5可以看出：在加载阶段，随着应变速率的减小，最大应力降低，当应变速率一定时，最大应力随试验温度的升高而减小，说明较高的试验温度和应变速率使得P92钢的变形抗力降低，加速其性能退化。卸载阶段真应力-时间曲线与加载段是对称的，其表征的循环特性一致，因此此处不再赘述。

图5 不同试验温度和应变速率下P92钢在加载和卸载阶段的真应力-时间曲线Fig.5 True stress-time curves of P92 steel during loading (a) and unloading stage (b) at different test temperatures and strain rates

2.4 弹性模量

应变控制下P92钢蠕变疲劳试验加载阶段的真应力-真应变曲线在初始阶段是线性相关的，当真应变达到约0.16%后真应力-真应变曲线呈非线性相关。当应变以恒定速率增加时，可以假定在应力恒定增加的部分中产生的应变是弹性应变。当真应变达到约0.16%时，P92钢开始发生软化，且弹性应变约占加载期间总应变的30%。弹性变形阶段曲线的斜率为P92钢的弹性模量，由图6可以看出:试验温度越高，P92钢的初始弹性模量越小，应变速率对其影响较小；初始加载阶段的弹性模量下降幅度较大，随后下降幅度降低，且随着试验温度的升高，弹性模量的下降幅度变大，刚度降低程度增大，即材料抵抗变形能力降低，说明P92钢的承载能力变差。

图6 不同试验温度和应变速率下P92钢的弹性模量随时间的变化曲线Fig.6 Curves of elastic modulus of P92 steel vs time at differenttest temperatures and strain rates

3 本构模型的建立与试验验证

在保载阶段，真应力与应力松弛值均与保载时间呈幂函数关系，可知P92钢的应力松弛模型为

σt=a0tb0

(1)

Δσ=a1tb1

(2)

式中：σt为保载阶段t时间的真应力；t为保载阶段的时间；Δσ为应力松弛值，即保载期间最大应力与应力的差值；a0,b0,a1,b1均为取决于温度和应变速率的参数，可由试验数据拟合得到。

应力松弛模型的拟合曲线如图7所示，模型参数如表4所示。由图7可知，除675 ℃，1×10-5s-1条件下因过高的温度和较大的加载速率而导致模拟结果误差较大外，其他条件下的模拟结果与试验结果均吻合较好，相对误差小于4.28%。

图7 模型计算得到不同试验温度和应变速率下P92钢在保载阶段的真应力和应力松弛值随保载时间的变化曲线与试验结果的对比Fig.7 Comparison of curves of true stress (a) and stress relaxation value (b) vs time during load retention stage of P92 steel at differenttest temperatures and strain rates calculated by model with test results

表4 不同试验温度和应变速率下P92钢在保载阶段的应力松弛模型参数

Ramberg-Ostgood模型是以3个参数描述材料没有明显屈服点的非线性应力与应变关系[17]，因此加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线和真应力-时间曲线可用Ramberg-Ostgood模型进行描述。加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线模型表达式分别为

(3)

(4)

式中：ε为真应变；σ为真应力；E为弹性模量；ε0,σ0,n,σ1为拟合参数。

加载和卸载阶段的真应力-时间曲线模型表达式分别为

(5)

(6)

式中：t为时间；E′,0,0,,1为拟合参数。

拟合试验数据得到不同试验温度和应变速率下P92钢在加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线和真应力-时间曲线，如图8所示，相应的模型参数如表5和表6所示。由图8以及表5和表6可以看出：加载和卸载阶段的真应力-真应变曲线和真应力-时间曲线模拟结果与试验结果均吻合较好，相对误差小于10.37%；E和E′的绝对值随着温度的提高逐渐减小，而应变速率对其无明显影响，验证了P92钢的蠕变疲劳性能随温度的升高而降低。

表5 不同试验温度和应变速率下P92钢在加载阶段的Ramberg-Ostgood模型参数

表6 不同试验温度和应变速率下P92钢在卸载阶段的Ramberg-Ostgood模型参数

图8 模型计算得到不同试验温度和应变速率下P92钢在加载和卸载阶段真应力-真应变曲线和真应力-时间曲线与试验结果的对比Fig.8 Comparison of true stress-strain curve (a, c) and true stress-time curve (b, d) of P92 steel at different test temperatures andstrain rates during loading (a-b) and unloading stage (c-d) calculated by model with test results

4 结 论

(1) 在不同试验温度与应变速率下，P92钢在初始循环周期的保载阶段发生应力松弛而软化；当试验温度为500～650 ℃时，保载阶段的应力下降率相差较小，而当温度为675 ℃时，随着应变速率的增加，保载阶段的应力下降率增大；试验温度和应变速率越大，P92钢的应力松弛现象越明显。

(2) 在加载和卸载阶段，在应变速率一定的条件下，当温度不高于550 ℃时，温度对应力变化率的影响可以忽略，当温度高于550 ℃时，温度对应力变化率的影响较大；当温度相同时，应变速率对应力变化率的影响不大。试验温度越高，P92钢的初始弹性模量越小，而应变速率对其影响较小，且随着试验温度的升高，弹性模量的下降幅度变大。

(3) 除675 ℃，1×10-5s-1条件外，采用由幂函数推导出的保载阶段应力松弛模型模拟得到真应力和应力松弛值随时间的变化曲线与试验结果相吻合，相对误差小于4.28%；采用Ramberg-Ostgood模型模拟得到的加/卸载阶段真应力-真应变曲线和真应力-时间曲线与试验结果吻合，相对误差小于10.37%。